蟹状星云中具有辐射反馈的三维相对论性正负电子等离子体磁重联

蟹状星云中能量超过 100 MeV 的快速同步辐射伽马射线耀斑的发现，重新激发了人们对脉冲星风云中替代性粒子加速机制的兴趣。扩散激波加速无法解释这些耀斑，因为粒子加速和辐射发生在单个甚至亚拉莫尔时间尺度内。在此区域，同步辐射能量损失会对粒子运动施加一个阻力，该阻力与电场加速相平衡，并阻止发射超过 160 MeV 的同步辐射。先前的解析研究和二维粒子模拟 (PIC) 表明，相对论性磁重联是规避上述困难的一种可行机制。局域在 X 点的重联电场可线性加速粒子，且辐射能量损失很小。在本文中，我们使用一组包含辐射反作用力和引导场的大型 PIC 模拟，检验该机制在三维情况下是否仍然成立。与早期工作一致，我们发现相对论性漂移扭曲不稳定性会使电流片变形并最终瓦解，导致显著的等离子体加热，但几乎不产生非热粒子。一个中等强度的引导场可以稳定电流片，并使粒子加速成为可能。我们报告称，三维磁重联可以将粒子加速到超过标准辐射反作用极限的能量，尽管效果不如无引导场的二维情况显著。我们确认，最高能量的粒子在磁通量绳内形成紧密的束团，并在重联层内形成被紧密约束的束流，当该束流偶然穿过我们的视线时，便可能导致观测到的蟹状星云耀斑。